سطح سنج چیست؟ انواع آن (اصول و مبانی ابزار دقیق بخش 7)

سطح سنج (Level Transmitter) دستگاه اندازه گیری است جهت تعیین مقدار ماده (مایع، جامد و گاز) درون یک ظرف یا مخزن، سطح سنج ها فاصله بین سطح یک ماده و نقطه مرجع را اندازه گیری می‌‌کنند. لول متر از روش های مانند استفاده از فشار، سیستم اولتراسونیک و سیستم خازنی برای اندازه گیری سطح استفاده می کند. از سطح سنج ها در صنایع مختلف مانند صنعت نفت و گاز، تصفیه خانه های آب و فاضلاب، فرآیندهای شیمیای و صنایع غذایی و دارویی استفاده می‌شود.

مبدل های سیالات بر اساس نوع پارامتر قابل اندازه گیری، به سه دسته تقسیم می­ شوند:

• مبدل فشار (فشارسنج صنعتی)
• مبدل سطح (سطح سنج)
• مبدل جریان (فلومتر)

در این مقاله میخواهیم درباره سطح سنج و انواع روش های اندازه گیری سطح صحبت کنیم با ما همراه باشید:

سطح سنج چیست؟

یکی از کاربردی ترین موارد استفاده از سطح سنج در صنعت اندازه گیری میزان سطح مواد موجود در یك مخزن می ­باشد. سرریز شدن یك مخزن می­ تواند موجب بروز حادثه ای بسیار خطرناك و حتی پر هزینه شود و یا بالعكس، در زمان پمپاژ از یك مخزن، خالی بودن آن، ممكن است خسارات جبران ناپذیری به پمپ وارد کند. خالی بودن حتی ممكن است، درست زمانی که که یک لوله عمل جذب حرارت را انجام می­ دهد، موجب آسیب شود.

هم چنین در صنایع غذایی و دارویی كه ­باید مقداری مشخص از مواد گوناگون با یکدیگر تركیب شوند، تشخیص دقیق میزان مواد موجود در مخازن، بسیار مهم است. موادی كه سطح آن ها در یك مخزن، اندازه گیری می­ شود ممکن است، همگن (Homogeneous) نباشند. موادی كه سطح آن ها در مخزن، مورد نظر است؛ ممكن است برای مصارف غذایی و یا حتی مواد شیمیایی خورنده و خطرناك باشند. به عنوان مثال می تواند پودر، ذرات ریز و یا غلات باشد. مواد می­ توانند در زمان تخلیه در مخزن به شکل مخروطی درآیند و یا ایجاد موج نمایند. در این صورت باید در انتخاب روش اندازه گیری سطح، دقت زیادی به عمل آید. مبدل­ های سطح به دو دسته عمده تقسیم می ­شوند:

• سطح سنج پیوسته
• سطح سنج ناپیوسته (لول سوئیچ)

در ادامه به شرح هر یک میپردازیم:

سطح سنج ناپیوسته یا لول سوئیچ چیست؟

در مبدل ناپیوسته، تنها با مشخص نمودن حدی از ارتفاع كه می­ تواند خطر ساز شود؛ مورد استفاده قرار می گیرد. شامل چند قسمت:

1. لول سوئیچ شناور
2. لول سوئیچ آشكار ساز نوری
3. لول سوئیچ انتقال حرارت

در ادامه به شرح هر یک میپردازیم:

 1. لول سوئیچ شناور

به صورت معمول در این مواقع، از نوعی سوئیچ استفاده می­ گردد که در اصل، نوعی ارتفاع سنج ناپیوسته است؛ بسیار ساده تر از نوع پیوسته آن است.

در شكل زیر، یک نمونه لول سوئیچ شناور كه می ­تواند به صورت نرمال، باز (NO) و یا بسته (NC) باشد، نمایش داده شده است. اتصالاتی شبیه به اتصالات درون رله­ ها دارد. ضمن این كه توسط فنر حمایت می­ شوند، از جنس مغناطیسی بوده و وقتی یك آهن ربا در بالای آن ها حركت می­ كند، میدان مغناطیسی با كشیدن اتصالات باعث بسته شدن و یا باز شدن آن ها می­ گردد. این اتصالات، درون یك لوله غیرآهنی آب­ بندی شده ­اند. یك آهن ربای دائمی، درون شناور قرار داده شده كه متناسب با حركت سطح، بالا و پایین می­ رود. دو حلقه نگهدارنده، جهت محدود كردن حركت شناور به سمت بالا و پایین به كار گرفته شده اند. اتصالات این سوئیچ سطح، می­ توانند به ولتاژ مستقیم جهت تحریك كنترل كننده­ های قابل برنامه ریزی و یا ولتاژ متناوب 220 ولت جهت به صدا در آوردن زنگ اخبار یا فعال نمودن عملگرها متصل شوند.

شکل (1). مبدل (ارتفاع سنج – سوئیچ) سطح شناور ناپیوسته

2. لول سوئیچ آشكار ساز نوری

نوع دیگری از سوئیچ­ های سطح، لول سوئیچ های آشكارساز نور می­ باشند. در صورتی كه خواص مواد درون مخزن مانع از انتشار نور گردد؛ می­ تواند مورد استفاده قرار بگیرد. چندین نوع، ساختار ارتفاع سنج با استفاده از آشكار كننده های نوری در شكل زیر نشان داده شده است:

 

شکل (2). انواع مبدل (ارتفاع سنج – سوئیچ) سطح آشكار ساز نور ناپیوسته

فرستنده نوری اغلب از نوع دیود مادون قرمز با لنز و امكانات مناسب، جهت برقراری ارتباط با گیرنده می­ باشد. گیرنده متشكل از یك ترانزیستور حساس به نور و فیلتر نوری است كه تنها طول موج نور ارسالی را دریافت می ­كند. این فیلتر، موجب كاهش خطای ناشی از نور محیط می­ گردد. وقتی كه سطح، پایین تر از سنسور باشد، نور به گیرنده می­ رسد و ترانزیستور نوری اشباع می ­گردد، آن گاه در خروجی، 0 منطقی خواهیم داشت. وقتی كه سطح در مخزن، مانع رسیدن نور فرستنده به گیرنده گردد؛ ترانزیستور نوری به حالت قطع رفته و در نتیجه در خروجی، 1 منطقی خواهیم داشت. علاوه بر ولتاژ مستقیم تغذیه، می ­توان با استفاده از مقاومت پول-آپ بین ترانزیستور نوری (در حالت كلكتور باز) و هر ولتاژ دلخواه دیگر، 1 منطقی داشته باشیم.

گیرنده ­هایی نیز وجود دارد كه به جای ترانزیستور نوری از ترانزیستور حساس به نور استفاده می­ كنند. خروجی این گیرنده­ های 220 ولت، می­ تواند متناوب باشد. نصب گیرنده و فرستنده متمركز كه از یك صفحه انعكاس دهنده استفاده می­ كند، ساده ­تر است. یعنی اگر صفحه انعكاس دهنده به اندازه كافی بزرگ باشد، تنظیم گیرنده و فرستنده ساده تر خواهد بود. این نوع فرستنده و گیرنده، از نظر سیم كشی نیز بسیار ساده هستند. استفاده از فرستنده و گیرنده به صورت مجتمع، قابلیت انعطاف بیش تری را فراهم می­ كند. اگر آن ها روی یك نگهدارنده وصل شوند، به راحتی می ­توان در قسمت­ های مختلف مخزن، نصب و در صورت لزوم، بدون نیاز به تنظیمات دوباره جا به جا شوند.

به صورت كلی، آشكاركننده ­های نوری سطح، عمر طولانی تری نسبت به سوئیچ ها دارند. علت این است که در آن ها هیچ بخش مكانیكی وجود ندارد. اما یك ایراد اساسی این نوع ارتفاع سنج ها این است كه مایع، حتما باید مانع از عبور نور گردد، و این مسئله كاربرد آن ها را محدود می­ كند.

3. لول سوئیچ انتقال حرارت

اندازه گیری انتقال حرارت نیز می­ تواند جهت آشكار نمودن وجود مواد، درون یك مخزن به كار رود. سنسور دمای مقاومتی كه تحریك شده و انتقال حرارت آن، فقط از طریق هوا منتقل شده؛ گرمای بیش تری را حس می­ كند تا زمانی كه مایع پیرامون سیم، حرارت را گرفته باشد. انتقال حرارت سریع تر و آسان تر بوده و در نتیجه اثر خودگرمایی كم تر خواهد بود.

سطح سنج پیوسته چیست؟

در مبدل­ های پیوسته، اندازه گیری سطح به صورت دقیق و در تمام ارتفاع مخزن مورد نظر انجام می شود. همان گونه که اشاره شد، در بعضی از كاربردها، تنها كافی است كه مشخص شود كه مایع بالاتر و یا پایین تر از یك سطح مورد نظر است. اما در بعضی موارد هم نیاز است كه به صورت بسیار دقیق، ارتفاع مواد داخل مخزن مشخص شود. این مسئله نیاز به مبدل پیوسته را آشکار می کند. راه­ های گوناگون و بسیار متنوعی برای اندازه گیری دقیق میزان مواد موجود در یك مخزن وجود دارد كه در این قسمت به پنج مورد آن اشاره خواهد شد:

1. اندازه گیری سطح با استفاده از فشار
2. اندازه گیری سطح با استفاده از وزن
3. اندازه گیری سطح با استفاده از سیستم شناور
4. اندازه گیری سطح با استفاده از سیستم خازنی
5. اندازه گیری سطح با استفاده از سیستم اولتراسونیک

در ادامه به شرح هر یک میپردازیم:

1. اندازه گیری سطح با استفاده از فشار

در بخش­ قبل مشخص شد كه فشار، در انتهای یك ستون از مایع، متناسب است با ارتفاع آن ستون:

که در آن…

r : چگالی مایع

g : ثابت تبدیل جرم به وزن  cm/s² 981

h : ارتفاع ستون مایع

به این فشار، فشار سر (head Pressure) می­ گویند.

بنابراین با اندازه گیری فشار انتهای یك مخزن، می­ توان سطح مایع داخل مخزن را اندازه گیری کرد. اما باید توجه داشت كه در این روش چندین فرض موجود است كه بایستی مورد توجه قرار بگیرند.

• اول این كه، برای گرفتن نتیجه ثابت و پایدار، مایع بایستی دارای شكل واحد (Uniform) باشد. به عبارت دیگر، چگالی باید ثابت باشد.
• دوم این كه، فشار قرائت شده مربوط به ارتفاع بالای مبدل فشار می ­باشد. بنابراین اگر به هر دلیلی امکان نصب سنسور در انتهای مخزن وجود ندارد، در مدارات الكترونیكی و یا محاسبات كامپیوتری باید مقدار آفست نیز منظور شود. این مسئله در شكل زیر نشان داده شده است:

شکل (3). ساختار سطح سنج پیوسته – فشارسنج ارتفاع

• بالاخره، آخرین چیزی كه می بایست به آن دقت نمود در صورت استفاده از فشارسنج برای اندازه گیری سطح، میزان فشار بالای مخزن می­ باشد. اگر مخزن باز است و فشار آن فشار اتمسفر است؛ فرمول بالا صحیح است و می­ توان از یك مبدل فشار كه فشار نسبت به محیط را اندازه گیری می ­كند؛ استفاده کرد. اما اگر مخزن بسته است، فشار انتهای مخزن نه تنها بستگی به فشار سر دارد، بلكه به فشار بالای مخزن نیز بستگی دارد یعنی:

 

برای انجام این محاسبه به روش اتوماتیك، می­ توان از یك فشارسنج تفاضلی با فشار مرجع متصل به بالای مخزن استفاده نمود. شكل زیر این روش را نشان می دهد:

شکل (4). ساختار سطح سنج پیوسته – فشارسنج تفاضلی

2. اندازه گیری سطح با استفاده از وزن

یك روش اندازه گیری واقعی، از میزان مواد موجود در داخل مخزن، اندازه گیری وزن مواد درون آن می­ باشد. این روش برای انواع مواد مایع، جامد و یا تركیبی از آن ها تفاوتی نداشته و مناسب است. در این راه کار، باید مخزن به صورت كامل و تنها به یك و یا تعدادی لودسل متصل گردد.

• در حالتی كه از چند لودسل استفاده می ­گردد بایستی مطمئن شد كه وزن مواد به صورت یكسان بین لودسل­ ها تقسیم شده است یا فقط از یك مدار الكترونیكی، جهت جمع مقادیر اندازه گیری شده توسط لود سل­ ها استفاده شود.
• هم چنین نیاز به مجموعه ای از پردازش سیگنال، جهت تنظیم خروجی به صفر، در زمان خالی بودن مخزن، می باشد.
• در برخی از پیاده سازی­ ها در كنار استرین گیج فعال و واقعی، بایستی از یك كرنش سنج مجازی (Dummy) استفاده کرد كه جهت انجام كالیبراسیون، می­ توان با پر و خالی كردن مخزن، منحنی مورد نیاز را به دست آورد.

3. اندازه گیری سطح با استفاده از سیستم شناور

شاید از متداول ترین روش های استفاده از ارتفاع سنج ها، کاربرد آن ها در سیستم كنترلی متشكل از شیر و شناور داخل مخزن سیفون سرویس های بهداشتی باشد. اساس كاركرد چنین سیستمی در شكل زیر نمایش داده شده است.

یك شناور همراه با سطح آب داخل مخزن سیفون به سمت بالا و پایین حركت می ­كند. حركت شناور توسط یك لولا، شیر را كنترل می­ کند.

زمانی که سطح آب پایین است، شناور نیز پایین بوده و در نتیجه شیر به سمت بالا یعنی وضعیت باز، حركت می ­كند. به محض این كه سطح آب بالا می­ آید به همان نسبت، شیر بیش تر بسته می شود. بازوی شناور به گونه­ ای طراحی شده است كه نیروی شناور را با نسبت (l₁/l₂) تقویت می­ كند تا امکان باز و بستن آسان شیر، وجود داشته باشد.

شکل (5). ساختار سطح سنج پیوسته – فشارسنج شیر و شناور (سیفون)

برای یك سیستم كنترلی پیچیده­ تر می توان به جای شیر از یك پتانسیومتر خطی لغزشی استفاده کرد و یا با استفاده از یك مكانیزم گیرباكسی، می­ توان حركت بالا و پایین را تبدیل به حركت چرخشی نمود تا بتوان یك پتانسیومتر دورانی را به چرخش درآورد. در چنین سیستمی، سیگنال خروجی متناسب با سطح، دارای ولتاژ مستقیم بالایی می ­باشد كه برای نمایش و یا كنترل سطح، بسیار مناسب و ساده است. علاوه بر این، چنین سیستمی، ساده، ارزان و قابل اطمینان نیز می­ باشد.

اما از ایرادهای این سیستم، محدود بودن دامنه حركتی شناور و نصب آن در درون مخزن می­ باشد كه در بعضی مواقع و در كاربردهایی خاص، نصب آن داخل مخزن، غیرممكن است. هم چنین پتانسیومتر را می ­بایستی به طور کامل، آب­ بندی کرد تا از نفوذ مایع به آن جلوگیری شود.

4. اندازه گیری سطح با استفاده از سیستم خازنی

ظرفیت خازنی یك خازن با صفحات موازی، برابر است با:

كه در آن …

C = ظرفیت خازن

A = سطح مقطع صفحات

ε= ثابت دی الكتریك

d = فاصله صفحات از یكدیگر

ضریب دی الكتریك هوا تقریباً یك است، در حالی كه ضریب دی الكتریك آب بیش تر از 80 و یا بعضی مواد جامد دارای ضریب دی الكتریك 10000 و یا بالاتر می ­باشند. این تغییر شدید ضریب دی الكتریك در مواد مختلف، می ­تواند جهت اندازه گیری ارتفاع به كار گرفته شود.

به پروب به كار رفته در مخزن در شكل (4) دقت كنید. هرچه مایع داخل مخزن بالاتر برود، متوسط ضریب دی الكتریك نیز متناسب با ارتفاع، تغییر می­ كند. برای بالا بردن خاصیت خازنی، می توان از پروب با چندین لایه هم مركز، به صورتی که صفحات آن، یك در میان به یكدیگر متصل شده باشند، (بدین ­ترتیب سطح بیش تری حاصل می ­گردد) استفاده نمود.

مانند دیگر مبدل­ های خازنی، سیگنال خروجی این مبدل خازنی نیز بایستی با استفاده از مدارات پردازشگر الكترونیكی به شكلی مناسب­ تر و قابل استفاده ­تر تبدیل گردد.

با استفاده از یك پل متناوب، اندازه ظرفیت خازن، تعیین كننده دامنه سیگنال متناوب خروجی پل خواهد بود.

با استفاده از مدار اسیلاتور نیز می­ توان تغییر ظرفیت خازن را به فركانس متناسب با ارتفاع مایع داخل مخزن تبدیل نمود.

شکل (6). ساختار سطح سنج پیوسته – فشارسنج خازنی

ویدئو (1). عملکرد سطح سنج خازنی

اگر مخزن از نظر الكتریكی هادی باشد می­ توان از آن به عنوان یك پروب استفاده کرد و پروب دیگر را داخل مخزن قرار داد. كه در این صورت، مخزن می باید برای حفظ ایمنی، به زمین متصل گردد. این کار ممكن است از نقطه نظر مدارات پردازشگر الكترونیكی تاثیری نداشته نباشد. هم چنین هر نویز الكتریكی، حلقه زمین یا اتصالات تصادفی، صدماتی را به تانك و یا مدارات پردازشگر و سیستم های كنترلی وارد می كند.

اگر مایعی كه ارتفاع آن مورد نظر است از نظر الكتریكی، هادی باشد؛ از اثر مقاومت به جای خازن می ­توان استفاده کرد. در این روش، پروب­ های با قابلیت هدایت بالا با دو سیم مقاومتی با مقاومت بالا تعویض می شوند. لازم است كه سیم، دارای پایداری بالا و مقاومت، دقیقا در واحد طول باشد. هر چقدر كه سطح بالا می­ آید، طول اتصال كوتاه شده سیم­ های درون مخزن، افزایش پیدا می کند كه خود موجب كاهش مقاومت سیم می­ گردد. بنابراین، مقاومت به صورت معكوس، متناسب با سطح خواهد بود. این روش در تعیین ارتفاع جیوه در یك مانومتر یا دستگاه فشارسنج خون، بسیار متداول است.

5. اندازه گیری سطح با استفاده از سیستم اولتراسونیک

با اختراع تنظیم خودكار لنز دوربین عكاسی توسط فاصله یاب­ های اولتراسونیكی، كاربرد وسیع این ابزار به صورت یک ماژول، قابل تهیه و استفاده از آن، آسان می­ باشد. برای اندازه­ گیری سطح با استفاده از یك ماژول فاصله یاب اولتراسونیکی، بایستی این دستگاه در بالای مخزن به صورتی كه به سمت پایین هدف گیری شده است؛ نصب شود.

برای اندازه گیری ابتدا باید از یك پالس آماده سازی، جهت ارسال توسط فرستنده اولتراسونیک استفاده کرد. پس از ارسال پالس و برگشت اكو و دریافت آن توسط گیرنده، پالس دیگری توسط فرستنده فرستاده خواهد شد. با استفاده از یك شمارنده، بایستی زمان بین ارسال پالس و دریافت اكو آن را اندازه گیری کرد. چون سیگنال اولتراسونیک با سرعت صوت حركت می ­كند، زمان بین ارسال و دریافت به نوعی معادل فاصله سطح می­ باشد. فاصله قابل اندازه گیری به این روش بایستی در حد 0.5 تا 10 متر باشد.

رابطه فاصله سنسور با سطح مایع به صورت زیر می ­باشد:

که در آن…

d = فاصله سطح

v = سرعت صوت = 331.5 متر بر ثانیه

t = زمان رفت و برگشت سیگنال

نصب سیستم اولتراسونیک در بالای مخزن كار بسیار ساده ای است و نیازی به آب­ بندی آن در مقابل اثرات ناشی از مواد داخل مخزن نمی باشد. اما، زمانی كه مخزن پر می­ شود، فاصله بین سطح و سنسور كم تر می­ گردد. این موضوع، موجب کم تر شدن زمان و در نتیجه شمارش كم تر شمارنده شده كه این خود موجب خطای بیش تر در فاصله­ های كم تر می شود.

نکته مهم در فرمول مطرح شده، این است که با این روش، فاصله سنسور از سطح مواد داخل مخزن محاسبه می شود. برای محاسبه ارتفاع مواد داخل مخزن می­ بایست فاصله سنسور تا انتهای مخزن در دسترس باشد که به کمک یک پردازشگر، می توان ارتفاع سطح مواد را نیز محاسبه نمود.

شکل (7). ساختار سطح سنج پیوسته – فشارسنج اولتراسونیک

ویدئو (2). عملکرد سطح سنج اولتراسونیک

 

سخن پایانی

در این مقاله با سطح سنج ها و روش های اندازه گیری سطح آشنا شدیم، سطح سنج ها بصورت ناپیوسته یا بصورت پیوسته کار می کنند در سطح سنج های ناپیوسته تنها زمانی که سطح مایع درون مخزن به سطح تعیین شده برسد فعال میشوند مانند سطح سنج های شناور، سطح سنج های ناپیوسته را لول سوئیچ نیز می‌نامند. اما در لول متر های پیوسته، اندازه گیری سطح به صورت دقیق و در تمام ارتفاع مخزن مورد نظر انجام می شود.